(57)【要約】【課題】  物性の異なるコンクリートであっても、コンクリート内部の塩化物イオン濃度を高い精度で且つ非破壊で測定して、低コストでコンクリートの部位別劣化度を評価することができるコンクリート中の塩化物イオン濃度測定装置及び測定方法を提供する。【解決手段】  測定対象のコンクリート９に接触又は接近させるプリズム３と、プリズム３を介してコンクリート９に電磁波Ｗｉを照射する電磁波照射装置２と、プリズム３を介してコンクリート９で反射された電磁波である反射波Ｗｒを受信する受信センサ４と、受信センサ４で取得したデータを解析する演算装置５を有したコンクリート中の塩化物イオン濃度測定装置１であって、演算装置５が、受信センサ４で取得した反射波Ｗｒの強度からコンクリート９の全反射率を計算し、全反射率からコンクリート９に含まれる塩化物イオン濃度を推定する機能を有する。【選択図】図１
2013221873.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象のコンクリートに接触又は接近させるプリズムと、前記プリズムを介して前記コンクリートに電磁波を照射する電磁波照射装置と、前記プリズムを介して前記コンクリートで反射された電磁波である反射波を受信する受信センサと、前記受信センサで取得したデータを解析する演算装置を有したコンクリート中の塩化物イオン濃度測定装置であって、
前記演算装置が、前記受信センサで取得した前記反射波の強度から前記コンクリートの全反射率を計算し、前記全反射率から前記コンクリートに含まれる塩化物イオン濃度を推定する機能を有することを特徴とするコンクリート中の塩化物イオン濃度測定装置。
【請求項２】
前記電磁波照射装置が、１０ＧＨｚ以上１ＴＨｚ以下の周波数を有する電磁波を照射するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のコンクリート中の塩化物イオン濃度測定装置。
【請求項３】
前記測定装置が、半円柱形状に形成されてその切断面が前記コンクリートに接触又は接近させるように構成された前記プリズムと、前記プリズムの曲面に電磁波を照射する前記電磁波照射装置を有しており、
前記電磁波照射装置が、前記プリズムの曲面に対する前記電磁波の入射位置を変化させる移動機構を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載のコンクリート中の塩化物イオン濃度測定装置。
【請求項４】
測定対象のコンクリートに接触又は接近させるプリズムと、前記プリズムを介して前記コンクリートに電磁波を照射する電磁波照射装置と、前記プリズムを介して前記コンクリートで反射された電磁波である反射波を受信する受信センサと、前記受信センサで取得したデータを解析する演算装置を有したコンクリート中の塩化物イオン濃度測定装置による測定方法であって、
前記プリズムが前記コンクリートに接近又は接触する準備ステップと、
前記電磁波照射装置が電磁波を前記コンクリートに照射する照射ステップと、
前記受信センサが前記コンクリートにより反射された電磁波である反射波を受信する受信ステップと、
前記演算装置が、前記反射波の強度から前記コンクリートの全反射率を計算し、前記全反射率から前記コンクリートに含まれる塩化物イオン濃度を推定する演算ステップを有することを特徴とする測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンクリート内の塩化物イオン濃度を非破壊で測定する測定装置及び測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半永久的な剛体であると信じられていたコンクリートは、劣化するという事実がある。このコンクリートの劣化の原因は、主なものとして塩害が挙げられる。コンクリート内に塩分が浸透すると、コンクリートの劣化が進むことが明らかになっている。
【０００３】
これに対して、コンクリートに照射した電磁波の反射波を計測し、この反射波からコンクリート内部の塩化物イオン濃度を測定し、コンクリートの劣化度を評価する方法が開示されている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、上記のコンクリート内部の塩化物イオン濃度を測定する方法は、いくつかの問題点を有している。第１に、塩化物イオン濃度の測定精度を向上することが困難であるという問題を有している。これは、電磁波を反射する界面（反射面ともいう）の位置がコンクリートの深い位置となる場合、得られる反射波が著しく減衰したものとなり、測定誤差が大きくなるからである。
【０００５】
第２に、測定対象となるコンクリートが限定されるという問題を有している。これは、コンクリート内に電磁波を反射する界面の存在（例えば鉄筋やクラック等）が、上記の測定方法において必須となるからである。また、電磁波が反射する界面の種別等により、反射波の状態が変化するため、この界面の種別を把握する必要がある。具体的には、界面が鉄筋によるものか、クラックによるものか、又はその他の要因によるものかを把握する必要がある。
【０００６】
第３に、コンクリートの物性が異なる場合、測定の際にコンクリートを破壊してサンプリングをする必要があり、この測定に必要となる費用及び時間が増大するという問題を有している。これは、コンクリートの物性により反射波の状態が変化するためである。具体的には、コンクリートに含まれる骨材の種類及び量などにより、反射波の状態が変化する。そのため、コンクリートの物性を把握した後でなければ、塩化物イオン濃度を正確に測定することが困難となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１２５５７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、コンクリート中の塩化物イオン濃度測定装置及び測定方法において、物性の異なるコンクリートであっても、コンクリート内部の塩化物イオン濃度を高い精度で且つ非破壊で測定して、低コストでコンクリートの劣化度を評価することができるコンクリート中の塩化物イオン濃度測定装置及び測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するための本発明に係るコンクリート中の塩化物イオン濃度測定装置
は、測定対象のコンクリートに接触又は接近させるプリズムと、前記プリズムを介して前記コンクリートに電磁波を照射する電磁波照射装置と、前記プリズムを介して前記コンクリートで反射された電磁波である反射波を受信する受信センサと、前記受信センサで取得したデータを解析する演算装置を有したコンクリート中の塩化物イオン濃度測定装置であって、前記演算装置が、前記受信センサで取得した前記反射波の強度から前記コンクリートの全反射率を計算し、前記全反射率から前記コンクリートに含まれる塩化物イオン濃度を推定する機能を有することを特徴とする。
【００１０】
この構成により、測定装置は、物性の異なるコンクリートであっても、コンクリート内部の塩化物イオン濃度を高い精度で且つ非破壊で測定して、低コストでコンクリートの部位別劣化度を評価することができる。これは、この測定装置が、プリズムの設置によりコンクリートの表面で全反射を発生させ、この全反射率から塩化物イオン濃度を推定する構成としているためである。
【００１１】
この全反射率と塩化物イオン濃度の相関は、本発明に付随する実験により明らかになった事実である。これは、受信センサで測定される反射波は、コンクリート内部に浸透し（エバネッセント場）、塩化物イオン濃度の影響を受けているためと考えられる。また、電磁波の全反射を利用する測定であるため、コンクリート内の界面（鉄筋やクラック等）の存在が不要となり、安定した測定値を得ることができる。
【００１２】
上記の測定装置において、前記電磁波照射装置が、１０ＧＨｚ以上１ＴＨｚ以下の周波数を有する電磁波を照射するように構成されていることを特徴とする。この構成により、前述と同様の作用効果を得ることができる。なお、電磁波の周波数を小さくすると、測定装置により得られる位置精度等の分解能が低下するが、電磁波がコンクリート内部に浸透する長さ（以下、しみ出し長さという）を長くすることができ、塩化物イオン濃度の影響を評価しやすくできる。また、電磁波の周波数を大きくするとしみ出し長さは短くなるが、位置精度等の分解能を向上することができる。
【００１３】
上記の測定装置において、前記測定装置が、半円柱形状に形成されてその切断面が前記コンクリートに接触又は接近させるように構成された前記プリズムと、前記プリズムの曲面に電磁波を照射する前記電磁波照射装置を有しており、前記電磁波照射装置が、前記プリズムの曲面に対する前記電磁波の入射位置を変化させる移動機構を有していることを特徴とする。
【００１４】
この構成により、コンクリートに入射する電磁波の入射角を容易に変化させることができ、コンクリートに含まれる塩化物イオン濃度の測定精度を更に向上することができる。これは、しみ出し長さの最も長い入射角度で得られた受信センサの値を、塩化物イオン濃度の推定に利用できるからである。この値は、ノイズ等の影響が最も小さい値であるといえる。
【００１５】
上記の目的を達成するための本発明に係るコンクリート中の塩化物イオン濃度測定装置による測定方法は、測定対象のコンクリートに接触又は接近させるプリズムと、前記プリズムを介して前記コンクリートに電磁波を照射する電磁波照射装置と、前記プリズムを介して前記コンクリートで反射された電磁波である反射波を受信する受信センサと、前記受信センサで取得したデータを解析する演算装置を有したコンクリート中の塩化物イオン濃度測定装置による測定方法であって、前記プリズムが前記コンクリートに接近又は接触する準備ステップと、前記電磁波照射装置が電磁波を前記コンクリートに照射する照射ステップと、前記受信センサが前記コンクリートにより反射された電磁波である反射波を受信する受信ステップと、前記演算装置が、前記反射波の強度から前記コンクリートの全反射率を計算し、前記全反射率から前記コンクリートに含まれる塩化物イオン濃度を推定する演算ステップを有することを特徴とする。この構成により、前述と同様の作用効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によるンクリート中の塩化物イオン濃度測定装置及び測定方法によれば、物性の異なるコンクリートであっても、コンクリート内部の塩化物イオン濃度を高い精度で且つ非破壊で測定して、低コストでコンクリートの劣化度を評価することができるコンクリート中の塩化物イオン濃度測定装置及び測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る実施の形態の測定装置の概略を示した図である。
【図２】本発明の測定原理を示した概略図である。
【図３】本発明に係る異なる実施の形態の測定装置の概略を示した図である。
【図４】本発明に係る異なる実施の形態の測定装置の概略を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る実施の形態のコンクリート中の塩化物イオン濃度測定装置（以下、測定装置という）について、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明に係る実施の形態の測定装置１の概略を示す。測定装置１は、測定対象のコンクリート９に接触又は接近させるプリズム３と、プリズム３を介してコンクリート９に電磁波（入射波Ｗｉ）を照射する電磁波照射装置（以下、照射装置という）２と、プリズム３を介してコンクリート９で反射された電磁波である反射波Ｗｒを受信する受信センサ４と、受信センサ４で取得したデータを解析する演算装置５を有している。この演算装置５は、受信センサ４と信号線６で接続されている。
【００１９】
なお、測定装置１は、図１に示した構成部品を１つの筐体に搭載して構成することが望ましい。運搬が容易となり、広範囲のコンクリートに対して測定を容易に行うことが可能となるからである。また、プリズム３は、例えば、断面を三角形とする三角柱状として、珪素（Ｓｉ）で構成することができる。更に、照射装置２及び受信センサ４に、それぞれホーンアンテナ７を設置することが望ましい。この構成により、電磁波の解放端反射等を防止し、効率的に照射及び受信を行うことができるからである。
【００２０】
加えて、入射波Ｗｉ及び反射波Ｗｒの経路上に、適宜、第１凸レンズ１１、第２凸レンズ（半割型）１２、第３凸レンズ１３を設置することができる。これらの凸レンズの設置により、コンクリートに照射する電磁波のエネルギー密度、測定装置のレイアウト等を適宜調整することができるからである。特に、照射された電磁波を散逸させないように構成した場合、受信センサ４にて受信する反射波Ｗｒのエネルギーが増加するため、測定誤差を抑制することができる。
【００２１】
次に、測定装置１を使用してコンクリート中の塩化物イオン濃度を測定する方法を説明する。まず、例えば筐体等に収めた測定装置１のプリズム３の部分を、測定対象とするコンクリート９に接近又は接触させる（準備ステップ）。その後、照射装置２が電磁波Ｗｉをコンクリートに照射する（照射ステップ）。その後、受信センサ４がコンクリート９により反射された反射波Ｗｒを受信する（受信ステップ）。演算装置５が、反射波Ｗｒの強度から全反射率を計算し、この全反射率からコンクリート９に含まれる塩化物イオン濃度を推定する（演算ステップ）。以上を繰り返しながら、測定装置１は、建造物や橋梁のコンクリート９の部位別劣化度を連続的に測定することができる。
【００２２】
ここで、照射装置２により照射される電磁波Ｗｉの周波数は、１０ＧＨｚ以上１ＴＨｚ以下とする。望ましくは、３０ＧＨｚ以上３００ＧＨｚ以下、更に望ましくは６０ＧＨｚ
以上１２０ＧＨｚ以下の周波数とする。これは、いわゆるミリ波、テラヘルツ波と呼ばれる領域の電磁波である。
【００２３】
また、全反射率は、以下の式（１）で定義される。
【数１】
2013221873.tif 000003
【００２４】
ここで、ＡＴＲは全反射率、Ｅｒｅｆ２はリファレンスパワースペクトル、Ｅｓａｍ２はサンプルパワースペクトルとする。リファレンスパワースペクトルとは、まず、プリズム３をコンクリート９に接近させない状態で、照射装置２から電磁波Ｗｉを照射する。この電磁波Ｗｉは、プリズム３の境界で反射され受信アンテナ４に到達する。受信アンテナ４では、電界振幅の経過時間における推移のデータを取得する。このデータを、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により、周波数成分ごとの強度として変換する。これが、リファレンスパワースペクトルである。同様に、サンプルパワースペクトルは、プリズム３をコンクリート９に接近又は接触させた状態で得られた値である。演算装置５は、この２つの値の比較により、全反射率を算出する。
【００２５】
なお、リファレンスパワースペクトルは、測定装置１の構成（各構成要素の配置の状態、プリズムの性状等）、及び照射する電磁波の出力や周波数等に変更がなければ同一の値となるため、１度だけ計測して、演算装置５に記憶しておけばよい。また、周波数等を変更しながら連続的に測定する場合は、測定装置１をコンクリート９に接近させる前にリファレンスパワースペクトルを計測し、その後、コンクリート９（サンプルパワースペクトル）を計測すればよい。
【００２６】
次に、測定装置１の測定原理について説明する。図２に、測定対象であるコンクリート９に入射する電磁波Ｗｉ及び反射される電磁波Ｗｒの様子を示す。コンクリート９に入射した電磁波Ｗｉは、コンクリート９に浸透し、エバネッセント場を形成する。このエバネッセント場からは、電磁波が放出され（エバネッセント波）、この電磁波が反射波Ｗｒとなる。このため、電磁波はマクロ的にはコンクリート９の表面で反射しているといえ、ミクロ的にはコンクリート９の内部に浸透した後に、内部で反射したといえる。
【００２７】
ここで、電磁波がコンクリート９に浸透する距離ｄは、しみ出し長さｄとして以下の式（２）で定義される。
【数２】
2013221873.tif 000004
【００２８】
ここで、ｄはしみ出し長さ、ｎ１はプリズム３の屈折率、ｎ２はコンクリート９の屈折率、θ１はコンクリート９に対する電磁波Ｗｉの入射角、λは電磁波Ｗｉの波長とする。反射波Ｗｒは、このしみ出しにより、コンクリート９中の塩化物イオン濃度の影響を受けていると考えられる。なお、コンクリート９の表面で電磁波の全反射が発生するための条件は、以下の式（３）により定義される。
【数３】
2013221873.tif 000005
【００２９】
前述のコンクリート中の塩化物イオン濃度と電磁波の全反射率の相関は、本発明に付随する実験により発見したものである。また、この実験により以下の知見を得ることができた。第１に、電磁波Ｗｉの周波数を小さくする（波長を長くする）と、劣化の分布状況等を示す位置情報の分解能が低下するが、しみ出し長さｄを長くすることができるため、塩化物イオン濃度の影響を評価しやすくなることを発見した。第２に、電磁波Ｗｉの周波数を大きくする（波長を短くする）としみ出し長さｄが短くなるが、分解能を向上できることを発見した。
【００３０】
上記の構成により、以下の作用効果を得ることができる。第１に、測定装置１は、コンクリート内部の塩化物イオン濃度の測定精度を向上することができる。これは、電磁波がコンクリートの深部まで伝達されず、見かけ上コンクリート表面からの反射波として受信でき、高いエネルギーの反射波を得ることができるからである。そのため、ノイズ等の測定誤差の発生を抑制することができる。
【００３１】
第２に、測定装置１は、測定対象となるコンクリートの種別や状態等を限定せずに測定することができる。コンクリート内部であって、電磁波を反射する界面の存在等が不要となるからである。また、骨材等を含んでいるコンクリートであっても、測定装置１は、骨材等の影響を受けずに、コンクリート中の塩化物イオン濃度を正確に測定することができる。測定装置１は、骨材がほとんど存在していないコンクリート表面からの反射波を測定するからである。この事実は、上記の実験により確認されたものである。
【００３２】
第３に、コンクリートの物性が異なる場合であっても、少ない費用で且つ短時間に測定することができる。また、破壊を伴うコンクリートのサンプリング等が不要となる。
【００３３】
図３に、本発明に係る異なる実施の形態の測定装置１Ａの概略を示す。この測定装置１Ａは、照射装置２及び受信センサ４をコンクリート９側に傾けて構成したものである。この構成により、コンクリート９に対する電磁波の入射角θ１が小さくなるため、式（２）に示したしみ出し長さｄを増加させることができる。このしみ出し長さｄの増加により、塩化物イオン濃度の影響が評価しやすくなる。これは、電磁波が塩化物イオン濃度の影響を多く受けるためである。なお、しみ出し長さｄを増加させた場合であっても、測定装置１Ａは、骨材等の影響を受けずに、コンクリート中の塩化物イオン濃度を正確に測定することができる。測定装置１Ａは、骨材がほとんど存在していないコンクリート表面からの反射波を測定するからである。
【００３４】
図４に、本発明に係る異なる実施の形態の測定装置１Ｂの概略を示す。この測定装置１Ｂは、円柱を半分に切断した半円柱形状に形成され、その切断面がコンクリートに接触するように構成されたプリズム３Ｂと、プリズム３Ｂの曲面に電磁波Ｗｉを照射する電磁波照射装置２Ｂを有している。また、測定装置１Ｂは、この照射装置２Ｂが、プリズム３Ｂの曲面に対する電磁波Ｗｉの入射位置を変化させる移動機構１５を有している。同様に、測定装置１Ｂは、反射波Ｗｒを受信する受信センサ４Ｂと、受信センサ４Ｂを移動させる移動機構１５を有している。
【００３５】
なお、２点鎖線は、コンクリート９の表面において入射波Ｗｉが反射する地点を通る境
界線を示している。また、入射波Ｗｉの入射角θ１が所定の大きさより小さい場合に、電磁波Ｗｉがコンクリート９の表面で反射せず、コンクリート内部を透過する様子を示している。
【００３６】
次に、測定装置１Ｂを使用してコンクリート９中の塩化物イオン濃度を測定する方法を説明する。まず、例えば筐体等に収めた測定装置１Ｂのプリズム３Ｂの部分を、測定対象とするコンクリート９に接近又は接触させる（準備ステップ）。その後、照射装置２Ｂが、移動機構１５により移動しながら電磁波Ｗｉをコンクリート９に照射する（照射ステップ）。このとき、受信センサ４Ｂは、照射装置２Ｂの移動に連動して移動する。この照射装置２Ｂ及び受信センサ４Ｂの移動は、コンクリート９に対して接近又は離間する方向の移動であり、望ましくはコンクリート９の表面に対して垂直となる方向の移動とする。
【００３７】
受信センサ４Ｂは、コンクリート９により反射された反射波Ｗｒを移動しながら複数の地点で受信する（受信ステップ）。図示しない演算装置が、受信センサ４Ｂで受信した反射波Ｗｒのうち、最も強度の高い反射波Ｗｒを選択し、この最も強度の高い反射波Ｗｒから全反射率を計算し、この全反射率からコンクリート９に含まれる塩化物イオン濃度を推定する（演算ステップ）。以上を繰り返しながら、測定装置１Ｂは、建造物や橋梁等のコンクリート９の部位別劣化度を連続的に測定することができる。
【００３８】
この構成により、以下の作用効果を得ることができる。第１に、測定装置１Ｂは、コンクリート９の物性が不明（屈折率が不明）な場合であっても、コンクリート内部の塩化物イオン濃度の測定精度を向上することができる。これは、反射波Ｗｒの強度が最も高い点、すなわちしみ出し長さｄが最も長くなる点のデータを元に演算装置は、演算をすることができるからである。つまり、測定装置１Ｂにより出力される塩化物イオン濃度は、ノイズ等の誤差の影響が最も少ない値であるため、測定誤差を排除することができる。
【００３９】
第２に、コンクリート９の物性が異なる複数の箇所を、容易に連続的に測定することができる。これは、前述と同様であり、反射波Ｗｒの強度が最も高い点のデータを元に演算装置が演算するからである。
【００４０】
以上より、本発明のコンクリート中の塩化物イオン濃度測定装置及び測定方法により、物性の異なるコンクリートであっても、コンクリート内部の塩化物イオン濃度を高い精度で且つ非破壊で測定して、低コストでコンクリートの部位別劣化度を評価することができる。なお、電磁波照射装置２、２Ｂが、複数の周波数の電磁波を照射できるように構成してもよい。この構成により、測定装置１、１Ａ、１Ｂは、コンクリートに対して周波数を変更しながら測定できるため、測定精度を更に向上することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１、１Ａ、１Ｂ              コンクリート中の塩化物イオン濃度測定装置（測定装置）２、２Ｂ             電磁波照射装置（照射装置）
３     プリズム（三角柱状）
３Ｂ   プリズム（半円柱形状）
４     受信センサ
５     演算装置
９     コンクリート
１５   移動機構
Ｗｉ   電磁波（入射波）
Ｗｒ   電磁波（反射波）
ｄ     しみ出し長さ
【図１】
2013221873.tif 000006
【図２】
2013221873.tif 000007
【図３】
2013221873.tif 000008
【図４】
2013221873.tif 000009